由于能源危机和碳排放的增加，开发清洁、可持续的能源迫在眉睫。作为氢气储存和运输的高效载体，氨是实现零碳排放社会的理想清洁能源载体。而开发高催化活性、高稳定性的电化学氮还原反应 (NRR) 催化剂是一项重大挑战。

     山西大学的研究团队通过向LaFeO3（LF）钙钛矿的B位掺杂Cu，创造出了一种新型电催化剂LaCu0.1Fe0.9O3−δ（LCuF），旨在应用于氮气还原反应（NRR）。当这种催化剂被用作质子陶瓷电解池（PCEC）的阴极材料时，它展现出了出色的NRR催化性能及长期的稳定性。研究的关键发现在于Cu和Fe之间的协同效应显著增强了LCuF的NRR活性。这种协同效应的工作机制是电子通过Fe—O2−δ—Cu链进行转移，导致在Fe位点产生了更多的Fe4+，而在Cu位点则形成了更多的Cu+。这一过程加速了电子的转移速率，进而提高了NRR的反应速率。同时，Cu+的增多还引发了其周围产生更多的氧空位（OV）。值得注意的是，Fe4+和OVs都是缺电子的物种，它们能够捕获在吸附氮分子的反键轨道中的亚稳态电子，从而有效地活化N2。这项研究不仅揭示了Cu和Fe在LCuF催化剂中的协同作用机制，还为开发高效的NRR电催化剂提供了一种新的、可行的策略。

     图 1（a）制备好的 LF 和 LCuF 的 XRD 图案；（b）30–34° 下 LF 和 LCuF 的放大 XRD 图案；（c）LF 和（d）LCuF 的 Rietveld 细化和结构模型；（e）在 700°C 下暴露于 10%H2+90%N2 和 10%NH3+90%N2后的新鲜和处理过的 LCuF 粉末的 XRD 图案；（f）LCuF、BZCYYb 和 BZCYYb–LCuF（质量比 = 1:1）的 XRD 图案。

      图 2 LF、re-LF、LCuF 和 re-LCuF 的 XPS 光谱：(a) Fe 2p、(b) O 1s 和 (c) Cu 2p 3/2（插图：Cu LMM）光谱；(d) 活性位点 NRR 示意图。

     图 3 （a）不同电压和 650°C 下 LF 基和 LCuF 基电池的氨合成速率和（b）FE；（c）不同温度和 0.4 V（vs. OCV）下 LF 基和 LCuF 基电池的氨合成速率和（d）FE。

     在550至750°C的温度区间内，对LF基电池和LCuF基电池进行了线性扫描伏安（LSV）测试。对于 LF 和 LCuF 基电池，电流密度均随温度和施加电压的升高而增大。在相同温度和施加电压下，LCuF 基电池的电流密度高于 LF 基电池。由于两个电池中的复合阳极和电解质相同，电流密度的变化主要是由不同阴极材料的 NRR 催化活性不同引起的。这清楚地表明 LCuF 的 NRR 活性高于 LF。

     图 4  不同温度下 (a) LF 基和 (b) LCuF 基电池的 LSV 曲线；650°C 和 0 V 下 (c) LF 基和 LCuF 基电池的 Nyquist 和 Bode 曲线以及 650°C 和不同电压 (0 V 和 0.4 V ( vs. OCV)) 下 (d) LCuF 基电池的 Nyquist 和 Bode 曲线。

     图 5   长期 NRR 测试后 LF 和 LCuF 基电池阴极部分的 XPS 光谱：(a) Fe 2p 和 (b) Cu 2p 3/2（插图：Cu LMM）光谱。(c) 650°C 和 0.4 V 下 LCuF 基电池的长期稳定性测试。插图：90 小时测试后 LCuF 基电池的横截面 SEM 图像；(d) 氨合成速率和 FE 随时间的变化。